轴线直线度误差虚拟测量仪的研制

1、收稿日期:2006-03-16基金项目:国家自然科学基金资助项目 (20032017 作者简介:陈立杰 (1964- , 女, 辽宁锦州人, 东北大学副教授, 博士 第 28卷第 2期 2007年 2月 东 北 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 Journal o f Nort heastern uni Versit y (N at ural S cience V o l. 28, No.2! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

2、 ! ! ! ! ! ! ! ! ! !F eb. 2007轴线直线度误差虚拟测量仪的研制陈立杰,田文元,张镭(东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110004摘要:利用美国 N I 公司的 L ab w i ndow s /CV I 为软件开发平台,结合实验室现有的测量条件和基于 PC 的数据采集卡, 开发研制了轴线直线度误差虚拟测量仪 该仪器将形位误差测量技术与虚拟仪器技术相结合, 用轴线直线度误差的最小二乘评定法、 最小区域评定法, 解决了轴线直线度误差的测量问题 并且将误差图形 在屏幕上形象、 直观地显示出来, 有利于分析误差产生的原因, 以便控制制造误差 该仪器测量精度高,

3、工作稳 定, 制造成本低, 并具有良好的功能扩展能力, 既可用于实验教学, 又可用于生产实际 关键词:虚拟仪器; 轴线直线度误差; 测量仪; 最小二乘评定法; 最小区域评定法中图分类号:tB 921文献标识码:A文章编号:1005-3026(2007 02-0250-04D evel o p m ent of V irt ual M easuri n g Instru m entf or AxisS trai g ht ness e rrorCENl i-j ie , T I AN W en-y uan , ZANGl ei(Schoo l o f M echan ical En g i ne

4、eri n g &A utom ation , N ort heastern u n iVers it y , S hen y an g 110004, Ch i na . C orres p ondent :CENL i-j ie , E -m ail :L i j chen ! m ail .neu .edu .cn Abstract :the m easuri n g i nstru m ent w as deVelo p ed on t he latest so ft w are p latf or m L ab w i ndow s/CV I su pp lied b y a

5、n Am erican com p an y , i .e. , t he N ational I nstru m ents , w it h t he data ac C uisition card and ex isti n g lab a pp arat us used as hard w are p latf or m. the Virt ual m easuri n g i nstru m ent com bi nes t he techno lo gy to m easure t he f or m p osition error w it h Virt ual i nstru m

6、 ent to eVal uate t he ax is strai g ht ness error b y least s C uare m et hod and m i ni m u mzone esti m ation. then , t he i m a g e o f ax is strai g ht ness error is able to dis p la y on screen Visuall y , t hus anal y zi n g t he cause o f ax is strai g ht ness error . the m easuri n g i nstr

7、u m ent has t he adVanta g es o f hi g h accurac y , reliable and stable o p eration and low cost , es p eciall y t he excellent f unction ex p andabilit y . It is aVailable to lab teachi n g and i ndustrial a pp lications.K e y words :Virt ual i nstru m ent ; ax is strai g ht ness error ; m easuri

8、n g i nstru m ent ; least s C uare m et hod ; m i ni m u m zone m et hod 机械零件的轴线直线度误差对机械产品的质 量有很大影响 准确地求得轴线直线度误差数值, 对保证和提高机械产品的质量十分重要 1-2 目 前, 测量轴线直线度误差可以用智能形位误差测量仪, 但这种仪器成本高且不能进行功能扩展 3-4虚拟仪器的核心是利用计算机所具有的高速 计算吞吐能力和计算机环境下丰富的系统资源, 将原来用硬件设备完成的功能转化为用计算机软 件来解决, 这就是所谓 “软件就是仪器” 的测量理念 5-6由于采用了软件设计技术, 大大降低了

9、测量系统的成本, 同时对于测量信号的处理更具 灵活性 虚拟仪器突破了传统智能化形位误差测 量仪在数据处理、 显示、 传输、 存储等方面的限制, 用户可方便地进行功能扩展 查阅现有的国内外资料, 并未发现将虚拟仪 器技术应用于形位误差测量方面的报道 因此, 研 制形位误差虚拟测量仪具有重要的现实意义 1理论基础轴线直线度误差是指包容被测实际轴线的理想圆柱面的直径 7根据确定理想圆柱面轴线方 法的不同, 常用的有两种评定轴线直线度误差的方法:最小二乘法 (least s C uare , LS 和最小区域法 (m i ni m u m zOne , M Z 1.1最小二乘评定法及误差图形的数学模型

10、 如图 l 所示, Z 坐标轴为测量时被测件的回 转轴线, 将被测要素分成与 Z 坐标轴垂直的彼此 等距的 m 个采样截面, XoY 坐标平面与被测要 素的各离散采样截面的对称中心平面相重合, 在 每个采样截面内的被测轮廓上有 n 个等角度间 隔的采样点, 由每一采样截面内的 n 个采样点可 以确定被测轮廓的最小二乘圆圆心 o i , 被测实际 轴线就由 m 个采样截面内的最小二乘圆圆心所 连成的空间折线来体现 L 为被测实际轴线的最 小二乘轴线, 它通过 XoY 平面上的点 o l (a , b , , 它的方向向量为 ! =(g , l , l 每个采样截面 内被测轮廓的最小二乘圆圆心 o

11、 i (a i , b i , z i (i =l , 2, m 的坐标为 a i =n nj =l! r i j cOs ! i j , b i =nnj =l! r i j si n ! i j , z i =z i L 的方程为 o =a +g z ,y =b +lz , z =z 图 1轴线直线度误差评定原理图F i 9.1Pri nc i P l e o f eva l uati n 9axi s s tr a i 9ht ness e rr o r根据图中的几何关系和最小二乘法原理8, 可求得 a =m m i =l a i , b =m mi =lb i , g = m a i

12、z imi =lz2i, l = mb i z imi =lz2i点 o i 到 L 的距离为r i = ! 轴线直线度误差值f =2r m ax 为了清晰地显示误差图形, 将 a i , b i 放大或缩小 M 倍(一般为几倍 , 为了能清晰反映出构成 实际轴线的各点, 将 z i 放大或缩小 N 倍 (一般为几倍 根据计算机图形学原理, 在屏幕坐标系中构 成实际轴线的各点 o i 的坐标为X i =(M a i +Nz i cOs3 ,Y i =Mb i +(M a i -Nz i si n3 在屏幕坐标系中包容被测实际轴线的理想圆 柱面的轴线 L 的方程为X =a +(g +l Nz c

13、Os3 ,Y =b +a si n3 +(g -l si n3 +l Nz 半径为 r =M f /2 1.2最小区域评定法及误差图形的数学模型 令F =F (a , b , g ,l =r m ax 若改变 a , b , g ,l 的值, 则目标函数 F 将随 之改变 当改变 a , b , g ,l 使 F 达到极小值 (即 m i n F =F (a/, b/, g /, l/ 时, 已符合按最小区域 评定法评定轴线直线度误差的规定 轴线直线度误差值 f /=2mi n F =2 , i =l , 2, m 在屏幕坐标系中包容被测实际轴线的理想圆 柱面的轴线 L 的方程为X =a/+(

14、g /+l Nz cOs3 , Y =b/+a/si n3 +(g /-l si n3 +l/Nz ; 半径为 r =M f /2 2测量仪的组成2.1测量仪简介图 2为虚拟轴线直线度误差测量仪总体结构示意图 被测零件放在两顶尖之间, 由步进电机 l 带动旋转, 步进电机 2驱动横向丝杠, 控制测头的 轴向运动, 步进电机 3驱动纵向丝杠控制测头的 径向快速运动, 步进电机 4用于电感测微仪的调 零 电感测微仪将半径变化量转化成电压信号, 经 l52第 2期陈立杰等:轴线直线度误差虚拟测量仪的研制过放大滤波电路、 采样保持电路、 模 /数转换电路,在软件系统的控制下, 将数字信号输入计算机 在

15、计算机中进行数据分析和处理 图 2测量仪的结构示意图F i g .2La y out o f t he i ns tr u ment2.2测量仪软件系统选择美国 N I 公司的 L ab w i ndow s /CV I 为软 件开发平台, L ab w i ndow s /CV I 是基于 C /C +的专门用于虚拟仪器及过程控制的可视化编程语 言 它具有良好的用户界面和强大的数据处理能 力 虚拟轴线直线度误差测量仪软件主要有仪器 软面板控制软件、 数据分析处理软件、 测量仪驱动 软件和 I /0接口软件 仪器软面板控制软件即测试管理层, 是用户 与测量仪之间交流信息的纽带 图 3为测量仪软

16、 面板 9-10 用户用鼠标或键盘操作软面板上的按 钮、 开关、 滑杆等就可以控制整个测量仪 图 3测量仪软面板 F i g .3B r eadboar d o f t he i ns tr u ment数据分析处理软件是用前述的数学模型将采 集的数据进行分析处理并将轴线直线度误差图形 显示出来 仪器驱动软件和 I /0接口软件是用来控制 仪器硬件的 3实验结果选取直径为 60mm 长 200mm 的轴, 分别用 虚拟轴线直线度误差测量仪和形位误差综合测量 仪进 行 实 测, 结 果 分 别 为 2. 43, 2. 52, 2. 23和252东北大学学报 (自然科学版 第 28 卷2. 46,

17、 2. 67, 2. 45! m 实测结果基本吻合 4结 论(1 虚拟轴线直线度误差测量仪能稳定可靠 地测量轴线直线度误差值 并能显示出轴线直线 度误差图形, 以便分析误差产生原因, 控制误差产 生 和计算机网络技术相结合可实现一机多用 (2 用软面板控制整个测量仪, 方便、 灵活, 缩短了测量仪的开发时间, 降低了制造成本, 有利 于测量仪功能扩展 (3在此测量仪的基础上, 进行软件功能的 扩展, 可开发形位误差其他项目的测量仪 参考文献:1uan g S T, F an K C, W u J .A new m i n i m u m Zone m et hod f or eValuati

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25、误差虚拟测量仪的研制作者:陈立杰 , 田文元 , 张镭 , CHEN Li-jie, TIAN Wen-yuan, ZHANG Lei作者单位:东北大学,机械工程与自动化学院,辽宁,沈阳,110004刊名:东北大学学报(自然科学版 英文刊名:JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE年,卷(期:2007,28(2被引用次数:2次参考文献(10条1. Huang S T;Fan K C;Wu J H A new minimum zone method for evaluating straightness error外文期刊1993(03

26、2. Utpal R;Xu Y X Form and orientation tolerance analysis for cylindrical surfaces in computer-aided inspection 1995(023. Chen L J;Zhang Y;Liu P Improvement of the traditional roundness measuring instrument 19964. Horikawa O;Maruyama N A low cost high accuracy roundness measuring system外文期刊 2001(045

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